Estudio de soluciones precursoras para el crecimiento de capas superconductoras gruesas por el método de deposición de soluciones químicas

Abstract

Esta tesis se centra en la síntesis de soluciones de trifluoroacetatos de itrio, bario y cobre para el crecimiento de capas epitaxiales de YBa2Cu3O7 mediante el método de descomposición metalorgánica (MOD) de deposición de soluciones químicas (CSD). Este método es barato, escalable y ha demostrado altas prestaciones en capas superconductoras delgadas (≈300nm). La fabricación de cintas epitaxiales de óxidos superconductores es un campo de gran interés debido a la gran variedad de aplicaciones de los mismos, que va desde los imanes para generar campos magnéticos altos y realizar diagnóstico médico por imagen hasta sus numerosas aplicaciones en el sector Energético (por ejemplo, almacenamiento de energía magnética por superconducción (SMES), fabricación de cables, transformadores, limitadores de corriente superconductor (FCL)…). Entre los métodos de preparación de dichas cintas se distinguen los métodos de deposición de soluciones químicas (CSD) con la variante más utilizada de descomposición metalorgánica (MOD) o por deposición química metalorgánica de vapor (MOCVD) siendo ambas una alternativa a los métodos físicos (la deposición por láser (PLD) o la evaporación por haz de electrones como más utilizados). Las metodologías por CSD son sin ninguna duda las de menor coste entre todas las alternativas. El reto en este campo es la necesidad de producir cintas epitaxiales de óxidos superconductores de forma reproducible y que transporten la máxima corriente posible. En este contexto, el primero objetivo de la tesis ha sido conseguir por métodos de deposición de soluciones químicas (CSD), soluciones estables de precursores organometálicos para el crecimiento de capas epitaxiales de muy altas prestaciones. La deposición de la solución precursora, en nuestro caso, ha sido realizada, en un monocristal de aluminato de lantano (LAO) de orientación (001). Mediante la descomposición de precursores metalorgánicos (MOD), basados en trifluoroacetatos (TFA) como precursores hemos conseguido el crecimiento de capa epitaxiales de YBCO. Usando una concentración de sales de partida de 1.5M (Y:Ba:Cu) (0.25:0.50:0.75) depositados por spin coating hemos obtenido capas epitaxiales de YBCO de 300nm±25nm sin fases secundarias, bien oxigenadas (Tc=92K) y Jc a 77K de 4MA/cm2 que equivale a una Ic=120A/(cm-w). El siguiente reto planteado se basa en conseguir que las capas superconductoras crecidas transporten la mayor corriente (Ic) posible. Esto se puede llevar a cabo por dos vías. Una de ellas es incrementando la densidad de corriente crítica (Jc) a través de la preparación de nanocompuestos con el objetivo de generar defectos los cuales sean capaces de anclar los vórtices y con ello mejorar las prestaciones superconductoras . Otro camino, es aumentando el grosor de las capas de YBCO y con ello la cantidad de material por el que podrá pasar más corriente. Nosotros abordamos la última vía, que se explora en 3 capítulos de la tesis. Múltiples estrategias se han evaluado para incrementar el grosor de las capas de YBCO, como la variación de la concentración de la solución precursora anhidra inicial, variación de los parámetros del spin coating, la realización de múltiples pasos de deposición, el uso del dip coating o de distintos aditivos. En estas estrategias el uso de múltiples pasos de deposición, permitió obtener capas de 1000nm con Jc a 77K de 2 MA/cm2 y Ic=216 A/(cm-w). Valores que son competitivos con los valores internacionales actuales reportados en la literatura. La combinación de las diferentes estrategias con las que se ha trabajado se ha presentado como la vía viable para llegar a grosores incluso mayores de 1000nm para obtener capas de YBCO capaces de transportar de 400-1000 A/ (cm-w) a 77K con CSD.

This thesis focuses on the synthesis of the solutions of trifluoroacetates of yttrium, barium and copper for the growth of epitaxial layers of YBa2Cu3O7 by metal organic decomposition (MOD) by chemical solution deposition (CSD). This is a low cost and easily scalable method achieving high performance superconducting films. The production of these superconducting tapes has a great interest due to the variety of possible applications, ranging from magnets to generate high magnetic fields and perform medical imaging diagnosis to its numerous applications in the energy sector (eg magnetic energy storage by superconducting (SMES), wind generators or manufacturing cables, transformers and superconducting current limiters). The deposition of the precursor solutions can be performed by chemical solution deposition (CSD), by the metal organic decomposition method (MOD) or by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). CSD has the advantage of low capital investment and supply costs as compared to metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or physical methods as pulsed laser deposition (PLD). The challenge in this field is the need to produce epitaxial layers of oxide superconductors reproducibly and carrying the possible maximum current. In this context, the first aim of the thesis is to achieve by chemical methods, stable solutions of organometallic precursors for the growth of epitaxial layers with high performance.

The deposition of the precursor solutions, in our case, has been done on a single crystal of lanthanum aluminate (LAO) orientation (001).

By thermal decomposition of metalorganic precursors (MOD), based on trifluoroacetates (TFA) as starting precursors we have achieved epitaxial growth of the YBCO layer. Using a starting concentration of 1.5M of the precursors (Y: Ba: Cu) (0.25: 0.50: 0.75) deposited by spin coating, we obtained epitaxial YBCO layers of 300nm ± 25nm without secondary phases, well oxygenated (Tc = 92K) and Jc at 77K of 4MA/cm2, equivalent to Ic=120A/(cm-w).

The next goal was to achieve the layers grown epitaxially exhibiting the maximum current intensity (greater than (60 A/(cm-w)) at the start of the thesis). This can be obtained in different ways. It is possible to increase the critical current density (Jc) through the introduction of nanocomposites with the aim of generating defects able to anchor the superconducting vortices and improve the performance. Other option is to increase the thickness of the YBCO layers and thus the amount of material through which current can pass.

We addressed the latter route, which is explored in 3 chapters of the thesis. Multiple strategies have been evaluated to increase the thickness of the layers of YBCO, such as the variation in the initial concentration of anhydrous precursor solutions, the parameters of the spin coater, performing multiple deposition steps, using a dip coating method or the addition of other additives. The strategy of using multiple deposition steps allowed us to obtain layers with Jc at 77K 1000nm2 MA/cm2 and Ic = 216 A /(cm-w). Values that are competitive with the current international values reported in the literature. The combination of the different strategies we worked on could allow us in the future, reach YBCO layers with thicknesses (≥1000nm) and exhibit higher current density (between 400-1000A/(cm-w) at 77K) by CSD.